（制冷及低温工程专业论文）多元平行流冷凝器传热与流动特性仿真.pdf

2 m a s t e rd i s s e r t a t i o n s t u d y o nh e a tt r a n s f e ra n df l o wc h a r a c t e r i s t i c so fam u l t i - u n i t p a r a l l e lf l o wt y p ec o n d e n s e r a p p l i c a n t ： m a j o r ： s u p e r v i s o r ： p a nw e n r e f r i g e r a t i o n & c r y o g e n i c se n g i n e e r i n g a s s o c i a t ep r o f e s s o rc a ox i a o l i n s u b m i t t e dt o t h e f a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r m a y , 2 0 1 0 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a 8洲9洲68眦mm- 7，1洲y 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： l 整壑日期：立l 年j 月日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：超 导师签名他日期：五生年月土日 中南人学硕+ 学位论文摘要 摘要 多元平行流冷凝器是由管带式冷凝器发展演变而来，作为一种 紧凑式换热器，主要由波纹型百叶窗翅片和多孔扁管构成，具有体 积小、重量轻、流动阻力小、换热效率高等优点。多元平行流冷凝 器通过在汽车空调中的大批量使用，技术已经非常成熟，将其推广 在家用空调器中的应用具有十分重要的意义。本文采用数值模拟的 方法对多元平行流冷凝器性能进行研究，在家用空调运行工况下对 其结构进行优化。 首先主要采用能量平衡的方法对多元平行流冷凝器建立了计算 模型，对管内制冷剂和管外空气侧的流动和换热进行了数值分析。 研究表明：由于多元平行流冷凝器的变流程结构及制冷剂的相态变 化，制冷剂侧传热系数、压力等沿管长出现多次突变，并将数值模 拟结果与实验结果进行了比较，进一步说明所选取模型的可靠性。 其次对多元平行流冷凝器进行优化，主要分析了迎面风速、空 气侧百叶窗翅片主要结构参数对多元平行流冷凝器空气侧流动和换 热的影响并将其优化。同时，分析了细微通道孔数、流程管数分配 对多元平行流冷凝器的影响。研究表明：优化后的冷凝器性能明显 高于优化前的冷凝器；随着扁管孔数的增加，冷凝器传热系数降低， 制冷剂侧的压降同时也降低；合理的管数分配能最大限度的增长两 相段所占的比例，即增大了有效传热面积，提高冷凝器的换热性能。 关键词：家用空调，平行流冷凝器，百叶窗翅片，扁管 a bs t r a c t t 1 1 ep a r a l l e lf l o wh e a t e x c h a n g e ri s a m u l t i p o r te x t r u d e dt u b e e x c h a n g e rb a s e do nb a n d - t u b eh e a te x c h a n g e r i ti sc o n s i s to fh i9 1 1 p e r f o r m a n c ef o l d e dl o u v e r e da n df i n sf l a tm i c r o c h a n n e lt u b e sa n di s f e a t u r e dw i t hs m a l ls i z e ，1 0 ww e i g h t ，s m a l lf l o wr e s i s t a n c ea n dh i g h t h e r m a l e f f i c i e n c y n o w a d a y s ，i t h a sb e e n s u c c e s s f u l l y u s e di n a u t o m o t i v ea i rc o n d i t i o n i n ga n dt e c h n i q u e sa r ev e r ym a t u r e ；t h e r ei s w i d e s p r e a di n t e r e s t i n e x p a n d i n g i t s a p p l i c a b l er a n g e t oh o m e a i r - c o n d i t i o n i n g a tf i r s t ，am o d e lw a s d e v e l o p e df o rt h ep a r a l l e lf l o wt y p ec o n d e n s e r w i t ht h ee n e r g yb a l a n c em e t h o d f l u i df l o wa n d h e a tt r a n s f e rp r o c e s s e si n b o t hr e f r i g e r a n ta n da i rs i d e sw e r e a n a l y z e dw i t ht h el a t e s tp h y s i c a l p r o p e r t i e sd a t a b a s ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o r r e l a t i o n s t h es t u d ys h o w e d t h a tt h er e f r i g e r a n th e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dt h ep r e s s u r ed r o pa l o n g t h ep a s s a g ev a r ys i g n i f i c a n t l yb e c a u s eo ft h es t r u c t u r a lp r o c e s sc h a n g eo f c o n d e n s e ra n dt h er e f r i g e r a n tp h a s e c h a n g e t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t a l a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ec o m p a r e d ，a n d t h e yh a v eg o o dc o n s i s t e n c y f i n a l l y ，i ti sa n a l y z e dt h a tt h ee f f e c ta n do p t i m i z a t i o no fs p e e da n d f i np a r a m e t e r so nt h ea i r - s i d eh e a tt r a n s f e ra n d p r e s s u r ed r o pt og e tan e w p a r a l l e lf l o wc o n d e n s e r a n dt h ee f f e c to fm i c r o c h a n n e l s h o l ec o u n ta n d d i f f e r e n tk i n d so ff l o wt u b en u m b e r a r r a n g e m e n t o nm u l t i - u n i t p a r a l l e l - f l o wc o n d e n s e ra r es t u d i e d a st h ei n c r e a s eo fm i c r o c h a n n e l s ， h o l ec o u n t ，b o t ho ft h ec o n d e n s e r sh e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n ta n dt h e p r e s s u r ed r o pa r ed e c l i n e t h er e a s o n a b l et u b en u m b e r sm a yi n c r e a s et h e r a t i oo ft h et w o p h a s er e g i o n ，t h a ta u g m e n tt h ee f f e c t i v eh e a tt r a n s f e r a r e a k e yw o r d sh o m ea i r - c o n d i t i o n i n g ，p a r a l l e l f l o wc o n d e n s e r ，l o u v e r f i n ，f l a tt u b e u 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘j 1 9 9 i a b s t r a c t i i 第一章绪论一1 1 1 研究目的及意义1 1 2 多元平行流冷凝器的研究现状1 1 2 1 百叶窗翅片侧流体换热与流动研究1 1 2 2 细微通道管侧换热与流动研究4 1 2 3 多元平行流冷凝器整体性能研究5 1 3 本课题主要研究内容。9 第二章多元平行流冷凝器的模拟ll 2 1 多元平行流冷凝器的结构1l 2 1 1 空气侧百叶窗翅片结构1 2 2 1 2 细微通道管结构1 3 2 2 仿真模型的建立1 3 2 2 1 空气侧流动换热模型1 6 2 2 2 制冷剂侧流动换热模型一18 2 3 模型的仿真算法2 0 2 4 模拟结果与实验结果对比分析2 2 2 4 1 模拟结果与实验结果对比2 2 2 4 2 模拟结果分析。2 3 2 5 本章小结2 7 第三章结构参数对空气侧换热性能的影响及优化2 8 3 1 迎面风速对空气侧传热与压降的影响2 8 3 2 结构参数对空气侧换热性能的影响及优化2 8 3 2 1 翅片高度的影响及优化2 8 3 2 2 翅片间距的影响及优化3 0 3 2 3 百叶窗间距的影响及优化31 3 2 4 百叶窗角度的影响及优化3 2 3 2 5 扁管厚度的影响及优化3 3 3 3 多元平行流冷凝器空气侧传热与压降性能的对比3 4 3 4 本章小结3 5 第四章多元平行流冷凝器的相关结构和运行参数的优化3 7 i i i 中南大学硕士学位论文目录 4 1 扁管水力直径的影响及优化3 7 4 2 细微通道孔数的影响及优化3 8 4 3 流程管数的影响及优化3 9 4 4 制冷剂质量流量的影响及优化4 2 4 5 本章小结4 3 第五章结论和后续工作4 4 5 1 结论4 4 5 2 后续工作4 4 参考文献4 6 致 射5 1 攻读学位期间主要的研究成果5 2 i v 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 自1 9 9 9 年以来，我国家用空调器产量一直居世界首位，空调器的生产能力 远大于国内市场的需要，即使近年来加大出口以后，仍是供大于求，跟着而来的 就是近年来的家用空调器的价格竞争，而且愈演愈烈。不少企业力图从技术改进 角度来应付，但效果尚不甚显著，长此以往会导致恶性循环，这是业内外人士所 不愿意看到的。近年来，由于国内外汽车空调的发展与成熟，汽车空调系统中许 多成功的经验引起了家用空调界技术人员与企业家的注意。家用空调对空间的尺 寸要求较低，空调的两器目前均采用铜管铝翅片的管片式，此种形式换热器换热 效率较低。而车用空调对空间尺寸要求极为严格，为节省其空间，要求换热器 的换热效率要比家用空调高得多【2 】。目前，车用空调蒸发器大多采用管带式或层 叠式换热器，冷凝器大多采用管带式或平行流式。此类换热器采用铝材制造，由 于采用微通道内蒸发( 冷凝) 技术，换热效率要比管片式高的多，而铝的价格也 比铜便宜的多。因此将车用空调的换热器用于家用空调，不仅有可能使家用空调 的体积、重量都有所减小，而且使空调的性能得到提高。 1 2 多元平行流冷凝器的研究现状 1 2 1 百叶窗翅片侧流体换热与流动研究 平行流冷凝器空气侧采用的是百叶窗翅片，即按一定的节距切割金属翅片， 并将切割的部分扭转一定的角度而形成平面外的翅，以阻止翅片表面空气层流边 界层的发展，使边界层在各表面不断的破坏，又在下一个冲条形成新的边界层， 不断利用冲条的前缘效应，达到强化换热的目的。百叶窗翅片通常有三角形和矩 形通道，根据流道的形状及布置方式，常见的类型如图1 1 所示【“】： 本课题研究的主要是d 型的百叶窗翅片。 早在五十年代就开始存在百叶窗结构的散热器，百叶窗翅片散热器的实验研 究很早就引起了学术界的关注，国内外很多学者对百叶窗翅片的流动和传热机 理、特性进行了大量的实验研究，并在实验的基础上整理得到了一些计算流动和 传热性能的经验关联式。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 三角 气流 三角形通道 ( a ) 三角形通道百叶窗翅片( b ) 板管式百叶窗翅片 ( c ) 隔板式三角形通道百叶窗翅片( d ) 矩形通道百叶窗翅片 气流隔板 ( e ) 矩形通道的百n t 窗翅片 图1 - 1 多元平行流冷凝器常见的几种百叶窗翅片排列 平行流冷凝器管外百叶窗翅片侧空气的换热与流动特性的研究主要有三种 方法。即理论分析、实验研究和数值模拟。通常将这三种方法结合使用，可以起 到相互印证和补充的作用。目前，大家公认的实验数据是d a v e n p o r t 7 1 ，w e b b t 引， w a n g t 州，a c h a i c h i a 和c o w e u 1 2 】测试的传热和压降数据。d a v e n p o r t 测试的是单 排式的间断型百叶窗换热器。w e b b 对百叶窗翅片进行了流动可视化实验。w a n g 测试的是波纹型百叶窗翅片。a c h a i c h i a 和c o w e l l 则测试了单排和两排的平直型 百叶窗翅片。 d a v e i i p o n 【7 j 通过流动可视化实验，对一系列的百叶窗翅片换热器进行研究， s t 数和摩擦因子随着百叶窗间距的增大而增大，另外，百叶窗翅片的流动效率 与基于百叶窗间距的r e 数有关。在r e 数较小时，百叶窗对流动的影响较小， 2 中南大学硕+ 学位论文第一章绪论 大部分流体并没有穿过百叶窗，而是沿着翅片方向流动。而在r e 数较大时，流 动几乎是平行于百叶窗的。d a v e n p o r t 猜测，在空气速度较低时，百叶窗上的边 界层较厚，堵塞了百叶窗间的通道，流体主要沿着翅片方向流动。 a c h a i c h i a 和c o w e l l e l 2 】也对r e 数在1 2 0 8 0 0 0 的百叶窗翅片换热器进行了可 视化研究。认为空气在百叶窗翅片列之间的流动存在两种极限，在r e 数较小时， 边界层较厚，使得流动沿着翅片方向流动，相比于r e 数较大时的百叶窗引导， 换热效率较低。他们建议，在r e 数较高时，不要使用太小的百叶窗间距，特别 是在翅片间距较大和百叶窗角度较小时。 l e ea n d 硒m 【1 3 , 1 4 】在相同的换热量时用百叶窗翅片式扁管换热器代替波纹翅 片式圆管换热器，他们根据a r i 标准对圆管换热器和扁管换热器的冷凝换热进 行试验。扁管换器采用竖直管，沿风向倾斜1 5 0 ，制冷剂与周围温度差值用来初 始化结霜周期，但是没有提供结霜周期终止的资料。研究表明，在冷凝时，扁管 换热器在整体换热性能上相比于圆管换热器增加1 - 6 ；在加热时，扁管换热 器的整体换热性能比圆管换热器要差。对于扁管换热器，大多数的结霜发生在换 热器的下部，随着每一个结霜一化霜过程，结霜周期减小和化霜周期增加。 张兴群、袁秀玲等【i5 】对汽车空调用的平行流式冷凝器热力性能进行了理论 和试验分析，得出了影响平行流式冷凝器热力性能的因素迎面风速、翅片高 度和翅片间距，并提出了优化平行流式冷凝器热力性能的措施，为平行流式冷凝 器的优化设计提供了理论参考。 董军启等【1 6 】在风洞试验台上对2 0 种不同结构参数和扁管百叶窗翅片进行了 传热和流动阻力性能试验，分析比较了翅片间距和翅片高度对其表面对流换热系 数和空气阻力性能的影响。同时通过对2 0 种不同结构参数百叶窗翅片的3 3 6 个 试验数据点进行多元回归和f 显著性检验，获得了，因子和7 r 因子的经验关联式。 在r e l p = 2 0 0 - - 3 0 0 0 范围内，和厂因子经验关联式拟合的最大误差范围分别为士1 0 和士1 2 ，绝对平均偏差分别为4 1 和5 6 。 周益民等【1 7 】对空气在百叶窗翅片内部流动和传热建立了三维数值计算模 型。计算结果与文献所提供的实验数据进行了对比，在整个计算范围内， r e = 0 , - , 1 5 0 0 ，和厂的平均偏差分别为1 9 6 和1 0 5 。在深入提示百叶窗翅片流 动机理的基础上，进一步比较了百叶窗翅片开窗角度和换向区长度对其传热和流 动阻力的影响，分析结果为百叶窗翅片的模具制作及其优化设计提供了依据。 重庆大学童明伟教授等【l8 】用f l u e n t 软件对一种典型的汽车百叶窗翅片式热 交换器空气侧的流场、压力场和温度场进行了c f d 研究，分析了不同结构参数 对翅片换热器和流动性能的影响。 3 _ _ _ _ _ 。_ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。 _ _ _ _ _ - 。一 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 细微通道管侧换热与流动研究 随着科学技术的发展，加热冷却设备不断向小型化的方向发展。微加工工艺 的发展给开展微细通道内的换热研究提供了可能。毫米级甚至更细的管道已经可 以制造，而近来发展的“各向异性干蚀 技术更使加工速度大大加快【1 9 删。自从 1 9 8 1 年斯坦福大学的t u c k e m a n 和p e a s e 2 l 】开辟微通换热研究以来，微通道换热 研究引起了国内外学者的相当重视【2 2 j 。 l e v y 【2 3 1 第一次研究了微细通道内湍流换热的特征，通道尺寸为 2 5 4 x 6 3 5 m m ，对应的水力直径为4 8 8 m m 。研究表明，r e 数范围在1 0 4 1 0 5 时， 实验值普遍比用s e i d e r - t a t e 公式的计算值低3 0 5 0 。 y a n g 和w e b b 【2 4 】对水力直径为1 5 6 m m 和2 6 4 m m 的水平矩形多孔扁管，采用 制冷剂为r 1 2 进行冷凝传热实验研究，试验表明，在液体过冷区和两相区，冷凝 传热系数都随热流密度的增加而增大。在低质量流速下，若采用当量质量流速， 实验数据与a k e r s 2 5 】关联式相符很好，因为采用当量质量流速可以使计算模型的 壁面剪切力与实验值保持一致。在高质量流速下，实验值比计算值高1 0 2 0 。 另外，他们通过对单相液体和两相流动摩擦的实验研究表明，单相液体摩擦因子 实验值k 匕b l a s i u s 关联式高1 4 ，两相区压降梯度随质量流速和干度的增加而增 大，与采用了当量质量流速的a k e r s 关联式相符很好，表面张力对微肋管的摩擦 压降无明显影响。 c h a n g 等【2 6 l 对四种不同规格的多孔铝制平扁管和一种内肋片扁管进行冷凝 传热特性实验，制冷剂采用了r 1 3 4 a 和r 2 2 ，实验结果表明，冷凝传热系数与 s h a l l 【2 7 】实验式相符，仅在蒸汽含量较高区域时计算值较低，显示了小水力直径 管与常规换热管的差别。 彭晓峰【2 s , 2 9 1 进一步研究了单相水在平板上矩形槽道内流动时几何尺寸对传 热的影响，实验所测的圆管水力直径范围为0 3 1l m m q ) 3 6 7 m m ，结果显示，小 直径管摩擦阻力系数比用常规尺寸关联式计算出的值要低，而且层流向湍流过渡 的r e 数也较低。 苏尚美等【3 0 1 分析了微通道内流体的流动及换热特性。微通道换热器具有高 传热系数、高表面积体积比、低传热温差、低流动阻力等特点，因此其口效 率高，性能优于常规换热器。微通道换热器宜选择导热系数和比热大的工质，有 利于增强换热。同时还介绍了微通道结构的优化及其加工方法，三维微通道结构 解决了微通道内流量分配不均、微通道分布均匀性差、局部散热不佳等问题，但 三维立体微通道加工还存在技术难题。最后结合实际应用，从节约能源的角度分 析了微通道换热器的应用前景。 俞坚等【3 l 】对一种新型陶瓷微通道换热器的传热与流动阻力特性进行了实验 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 研究。陆平等【3 2 】通过采用计算流体力学( c f d ) 的方法，对微通道平行流气冷器 内部流量分布特性进行了仿真研究。在改变气冷器的主要结构以及组合尺寸后所 进行的c f d 研究发现，扁管长度、进口集管与扁管组合尺寸以及出口集管与扁 管组合尺寸对气冷器内部扁管之间的流量分配不均匀度有很大的影响，这对将来 微通道平行流气冷器的设计优化具有重要意义。 李俊明掣3 3 】以我国家用空调器产品现状的分析为基础，探讨了执行新能效 标准后空调换热器采用新型强化传热技术的潜在需求。制冷剂在微细管内凝结和 沸腾传热的已有研究成果显示，家用空调器采用微细尺度强化传热技术，可以使 换热器趋于紧凑、高效，从而使空调器满足新能效标准的要求。 邵世婷【3 4 】等在单相区选用合理的预测关联式，两相区采用均相模型，对微 型通道形成的平行流式冷凝器进行了性能模拟，对制冷工质r 13 4 a 进行设计工 况下的稳态模拟，得出了微通道换热器的设计结果，分析了微通道换热特性与经 典关联式模拟结果的差异，为设计及分析微型换热器的性能提供参考。 1 2 3 多元平行流冷凝器整体性能研究 为了追求更高的换热性能，冷凝器依次经历了管片式、管带式、多元平行流 式等结构形式。在结构和换热性能等方面发生了很大的变化，都有其各自的规律 和特点。 管片式换热器也叫翅片管式换热器，是汽车空调较早使用的换热器形式，也 是传统空调系统中普遍采用的换热器形式，结构如图1 2 所示。一般由圆管和各 种形式的翅片组成，采用套片法工艺，将翅片安装在圆管之上。其方法是将厚度 很薄的铝箔，按管组排列方式，在高速冲片机上冲出折边孔，翅片可以做成整张 的，也可以由几张拼制而成，然后将圆孔穿入翅片空中，为保证铝箔的孔边与圆 管接触良好，必须将安装好的管片在专门的胀管机上进行胀管，以使管子和翅片 之间的接触面上有一定的接触应力【3 5 1 。但是在汽车的强烈震动下，管子和翅片 间的内应力容易发生疲劳，引起管子和翅片间的微观松动；同时由于管子厚度和 翅片的厚度相差许多倍，在换热器工作过程中受热胀冷缩的影响，管子和翅片的 线膨胀率不一致，经过一段时间的工作以后，由于膨胀造成的塑性变形使管与片 之间的内应力下降，接触应力相应减小，这样降低了换热效率，缩短了使用寿命。 虽然管片式冷凝器换热效率低，但结构简单，加工成本低，在空气侧和制冷剂都 采用强化传热措施，其换热效率也可有一定的提高，因而目前在大、中型汽车空 调中仍有采用【3 够7 1 。 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 换热管 制冷剂出口翅片 制冷剂进口 图1 - 2 翅片管式换热器结构示意图 管带式换热器制冷剂侧使用多孔扁管，从膨胀阀出来的低压气液混合物进入 扁管分流，各自在自己的扁管孔洞中流动，其间经过空气侧空气的不断换热，逐 渐由气液两相变成饱和或过热蒸汽状态。空气侧使用百叶窗翅片，空气被强制以 垂直于制冷剂管道的方向流过，与扁管内制冷剂进行热交换。如图1 3 。 图1 3 管带式冷凝器结构示意图 管带式换热器与传统的管片式换热器相比，主要有以下几个特点： ( 1 ) 制冷剂侧换热效果明显增强，但流动阻力也增大。管带式换热器采用扁 管与较小的水力直径，在扁管的截面积与圆管截面积相等的条件下，扁管内制冷 剂的湿周周长较圆管大，传热面积增加，热阻小，因此管内换热系数增加；但是 管带式换热器一般只有一条制冷剂通路，制冷剂要通过整个扁管流道，阻力损失 较大【3 8 1 。 ( 2 ) 空气侧换热系数提高了，而压降减少了。空气侧采用多重百叶窗翅片， 为间断型强化扩展表面，它能有效地破坏边界层的连续生成，从而强化空气侧换 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 热；同时多孔扁管的迎风面尺寸明显小于管片式的圆管，因而迎风面积小，流形 有利，形状阻力低，能大大减小管后尾迹区的换热面积，从而强化空气侧换热， 并减少了空气阻力【3 9 1 。p e t t e r s e n 对椭圆形和圆形翅片管分别进行了实验，结果表 明椭圆形管与圆管相比，空气侧换热系数提高1 5 ，而压降减小2 5 4 0 。 ( 3 ) 从结构和工艺看，蛇形管可省去了很多弯头和焊接弯头，工艺简单，且 减少了制冷剂可能的泄漏点，提高了可靠性，减少了铝箔冲孔工艺，材料利用率 高；因扁管与翅片的连接，需焊接以提高接触面积和传热效果，而焊接工艺比较 复杂，难度增大；从材料来看，扁管和翅片都是铝材，铝的比重仅为铜的三分之 一，重量轻，成本低。 平行流式冷凝器是由管带式冷凝器发展演变而来，也是由扁管和波浪形翅片 组成，散热片上同样开有百叶窗条缝，扁管是每根截断的，两端有集流管，依据 集流管分不分段，又可分为多元平行流式和单元平行流式。单元的集流管不打断， 制冷剂呈气态，比容最大，管子数也最多，随着制冷剂逐渐凝缩成液体，其比容 减小，管子数也相应变少。和管片式换热器相比平行流有以下优剧2 】： ( 1 ) 由于扁管不流通面积小于圆管，因此空气侧阻力小。 ( 2 ) 翅片效率和翅片当量高度成反比，管片式由于u 型传热管弯曲半径限 制，而平行流无此限制，因此翅片效率高。 ( 3 ) 平行流可以灵活调整流程的扁管分布，使制冷剂侧换热能力增加时而阻 力减小。 ( 4 ) 扁管和翅片的焊接方式决定了扁管和翅片的接触热阻小。 ( 5 ) 易于回收。 这种变通程的结构设计，使冷凝器的有效容积得到最合理利用，使制冷剂的 流动和换热情况更趋合理，使得在同样迎风面下，平流式结构比管带式提高了 3 0 以上1 4 。而空气阻力不变，甚至减小，制冷剂侧阻力减小到管带式的 2 0 3 0 【4 2 4 3 1 ，平行流式冷凝器吸收了管带式的各项新技术，是制冷剂从r 1 2 转换成r 1 3 4 a 的最适宜替换机型，鉴于多元平行流式冷凝器的诸多优势，它已 成为目前最有前途的冷凝器形式。其结构示意图如图1 4 所示。 7 _ 。1 。1 。1 。1 。一 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 隔板 图l _ 4 多元平行流冷凝器结构示意图 制冷剂进口 制冷剂出口 平行流式换热器的对流换热机理是：扁管内制冷剂通过对流换热和导热过程 将热量传到管外，再在外侧抽吸力的作用下，通过空气对流将翅片管外的热量 冷量带到室内。因此，作为一种新型高效紧凑式换热器在汽车空调中作为冷凝器 使用取得了成功的经验，因而就有人产生了将其用于家用空调的想法，从而使家 用空调的性能、体积、重量等方面的性能得到改善。陈芝久等m 】对平行流换热 器用于家用空调所可能出现的问题及解决方法进行了分析，认为平行流换热器用 于家用空调是提高家用空调性能的有效途径之一。 对于板翅式及管翅式换热器中采用的各种形式的翅片进行比较系统的研究 是美国的r h n o r r s 于1 9 4 2 年开始的。他首次提出用传热因子，及摩擦阻力厂及 r e 的关系评价换热器的性能，在换热器的评价方面做了开创性的工作。 s u g a 和a o k i t 4 5 】采用有限差分法对百叶窗翅片进行了二维的数值研究，对百 叶窗角度一定时翅片间距与百叶窗间距比值彤k 进行了优化，结果表明， r 佤= 1 5 t a n 0 时，换热性能和流动阻力可以得到较好的平衡，同时他们还根据数 值结果分析翅片结构与换热性能的关系。 i t o h 和k u r o d a 等【4 6 】百叶窗式换热器的速度和温度场进行了二维的数值模拟。 在模拟过程中考虑了空气物性随温度的变化，同时他们还对百叶窗翅片阵列进行 了可视化实验，发现数值模拟结果与实验结果吻合。同时他们还对考虑空气物性 随温度变化与不考虑空气物性的变化分别进行了数值计算，结果表明这两种情况 下平均努歇尔数有一定的差别。 t h o m a s 等【4 7 1 采用c f d 软件对单排汽车空调冷凝器空气侧的空气流动进行 了数值模拟。并且将计算结果与试验结果以及采用关联式地计算结果进行了比 较。二维的数学物理模型，对不同迎面风速的情况下进行了研究，所计算得到的 换热系数与试验数据相比，换热系数误差在士8 0 左右，明显过大。三维数学物 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 理模型，考虑扁管效应，计算结果与试验数据误差在2 5 以内，计算结果与试 验结果吻合地相对较好。另外，建立了二维的非稳态模型，对其流动形态和传热 特性进行了讨论分析。 沈国民等【4 2 】分析了多元平行流冷凝器的换热系数，并应用迭代原理得出多 元平行流冷凝器的换热计算方法。 梁新刚等【4 8 】对百叶窗翅片内气体流动做了二维数值计算，比较了层流模型和 湍流模型的差异，得出了两种模型在一定入口空气速度范围内均适用的结论；对 不同的翅片间距和翅片厚度的传热特性和流动阻力做了比较，结果表明，翅片间 距减小空气侧对流换热系数以及进出口压差都随之增大，效果明显；翅片厚度 减小，换热系数增加和压差减少，但是变化都不大。 包涛等【4 9 】在平行流冷凝器空气侧采用间断型扩展表面的波纹型百叶窗翅 片，制冷剂侧采用小水力直径的非圆截面微通道多孔铝制扁管，选用适合于该微 尺度强化换热结构的传热和压降关联式，对某规格的平行流冷凝器建立数学模型 并在一定工况下进行数值模拟。结果分析表明：制冷剂在非圆截面微通道内的冷 凝过程中，表面张力对表面传热系数的强化效果明显；通过改变流程数和各流程 管数来改变冷凝过程中的流通截面而达到调整流速的作用，从而可以保持较高的 冷凝换热系数和较低的流动压降，与常规换热器相比具有显著的优越性。 由以上文献分析得出，家用空调器中采用多元平行流冷凝器，可以有效提高 空调能效比，减小空调的体积，是家用空调技术发展的必然趋势。但发展至今， 多元平行流冷凝器在家用空调中的应用还只是处于研究阶段。 1 3 本课题主要研究内容 多元平行流冷凝器由于其特殊的结构形式，拥有换热系数高、重量轻、制冷 剂充灌量少等优点，目前在汽车空调领域得到了成功应用。但要让其在家用空调 中的使用技术完全成熟还需要对其进行一定的研究。因此本文采用数值模拟的方 法，对多元平行流冷凝器的传热与流动性能进行数值模拟，并进行了多元平行流 冷凝器的结构规划及其整体性能的模拟，为多元平行流冷凝器性能的提高、开发 及推广应用提供了理论参考。 具体的研究内容如下： ( 1 ) 多元平行流冷凝器的模拟 多元平行流冷凝器制冷剂侧采用具有非圆截面通道和较小水力直径的多孔 铝制扁管，这一主要结构特点决定了其传热规律和流动阻力与常规大直径传热管 相比有很大不同，因此，常规换热器的传热和流动关联式不能直接应用于平行流 冷凝器。另外，空气侧采用多重百叶窗式翅片，为间断型强化扩展表面，有效破 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 坏空气流动边界层，从而大大强化空气侧换热。本文利用能量平衡的方法对多元 平行流冷凝器建立数学模型，对管内r 2 2 和空气侧的流动的换热进行了数值分 析，采用了适合于微通道扁管和百叶窗翅片侧空气传热与流动的关联式。将数值 模拟的结果与实验结果进行比较，验证模型的正确性。 ( 2 ) 多元平行流冷凝器的优化 利用该模型分别考虑了空气侧主要结构参数对其流动和传热性能的影响，并 得出一个优化后的多元平行流冷凝器。同时考虑了多元平行流冷凝器的相关结构 及运行参数对其流动和传热性能的影响。 l o 中南大学硕士学位论文第二章多元平行流冷凝器的模拟 第二章多元平行流冷凝器的模拟 对多元平行流冷凝器建立稳态分布参数模型并进行数值模拟，分析各参数对 平行流冷凝器性能的影响，对其设计及优化具有十分重要的意义。本章根据多元 平行流冷凝器特殊的结构形式，采用能量平衡的方法建立了数学模型，在计算中 采用局部换热和压降的相关计算关联式，用e e s 软件对其进行计算。利用实验 数据和模拟值进行对比，分析模型的可靠性。 e e s 是工程方程解答器的英文字母的首字母缩写词。e e s 的基本功能是解代 数方程组，也能解差分方程、有复杂变量的方程、做工程优化、提供线性和非线 性回归并可绘出良好的二维图形。内置于e e s 软件中的庞大的关于热物性和迁 移性质的数据库对于解决关于热力学、流体力学和传热学问题是大有裨益的。 e e s 可以用于很多工程问题；尤其适用于在机械工程课程方面和解决实际工程问 题的需要。 2 1 多元平行流冷凝器的结构 本文研究的是某公司提供的多元平行流冷凝器模型。如图2 - 1 所示。 整个冷凝器有四个流程，制冷剂r 2 2 从进口积液管流入后，沿扁平通道管 流动，通过一个流程后，在集液管内汇合，再重新分配到下一个流程。流程中的 扁管数依次减少，分别为3 2 、2 3 、1 5 和6 ，扁管间为波纹型百叶窗翅片，每个 扁管内有1 6 个边长为( 3 6 x 0 7 ) m m 的矩形通道，冷却方式为空气冷却。 y 匿一a 制冷剂入口 一3 2 八 一2 3 - 一1 5 j 一6 磋。 7 9 8 中南大学硕士学位论文第二章多元平行流冷凝器的模拟 空气出 i _ 一 k ? 氏 百叶窗翅片 图2 - 1 平行流冷凝器结构示意图 2 1 1 空气侧百叶窗翅片结构 多元平行流冷凝器空气侧采用波纹形百叶窗翅片结构。百叶窗翅片属于间断 式翅片，将翅片表面沿气流方向逐渐断开，以阻止翅片表面空气层流边界层的发 展，使边界层在各表面不断的被破坏，又在下一冲条形成新的边界层，不断利用 冲条的前缘效应，达到强化换热的目的。 波纹形百叶窗翅片位于两根扁管之间，其结构示意图如图2 2 所示，基本参 数如表2 1 。 广_ 严 j 刁 尸飞 而 、 、， _i宇 卅，、 彳7 ；l出出心 b b 图2 - 2 百叶窗翅片结构示意图 1 2 中南人学硕十学位论文第二章多元平行流冷凝器的模拟 表2 - 1 百叶窗翅片的基本尺寸( r a m ) 翅片百叶窗 高度宽度厚度间距长度高度间距角度 b 局西bl厶 岛 伙o ) 8 0 7】60 31 16 20 2 4 41 22 4 2 1 2 细微通道管结构 多元平行流冷凝器制冷剂侧采用具有较小水力直径的非圆截面的多孔铝制 扁管，与常规的大直径传热管相比，传热规律和流动特性均有很大不同，若将普 通圆管内的公式应用于细通道内时会产生较大的误差。因此，计算过程中应采用 适用于小水力直径管的关联式，扁管具体结构及主要尺寸如图2 3 所示，扁管内 有1 6 个通道，微通道的长h n 和宽w n 分别为1 2 m m 和0 7 m m ，管壁厚度w t 为 0 3 m m ，扁管整体厚度d m 为1 8 m m ，扁管整体宽度乃为1 6 m m 。 d 。 a 正臼唧日唧 d 0 0 日 册晓4 h ，n d i 2 2 仿真模型的建立 图2 - 3 制冷剂侧扁管结构示意图 多元平行流冷凝器空气侧采用波纹型多重百叶窗翅片，能有效破坏空气流动 边界层，增加扰动，强化传热。多孔扁管在迎风截面方向的尺寸很小，能大大减 小背风侧涡流，从而降低空气侧流动阻力。扁管尺寸与波纹翅片尺寸相比较小， 空气侧表面传热系数以波纹型百叶窗翅片为主体。制冷剂在平行流冷凝器管内换 热的过程可分为三个相区。 ( 1 ) 过热区，释放气体显热。制冷剂在管内流动和冷却，总压降包含压降、 加速压降和重力压降。实验表明，加速压降和重力压降相对于摩擦压降很小，可 以忽略不计，因此模型中该段制冷剂侧压降仅考虑摩擦压降。 ( 2 ) 两相区，释放冷凝热。小水力直径多孔铝制扁管两相区内的流动和传热 机理与常规传热管有所不同，对于微肋管，冷凝换热系数主要受气相剪切力和表 面张力影响。在低质量流速和高干度时，表面张力的强化作用远大于气相剪切力， 因为表面张力产生的压降梯度使得肋片顶部小半径处的液膜趋向于翅片基部和 翅片间的凹槽内，从而能维持一种比在光管表面上更薄的液膜，因而可以强化传 热。在高质量流速和低干度时，翅片被液膜淹没，露于液膜以外的表面很小，使 1 3 中南大学硕士学位论文 第二章多元平行流冷凝器的模拟 表面张力不起作用。此时，气相剪切力占主导地位，传热机理与光管类似。 ( 3 ) 过冷区，释放液体显热。属于无集态变化的管内受迫运动，在本文中取 过冷区的物性参数和过热区相同。 本模型采用分布参数法，假设制冷剂在扁管各通道内均匀分布，各通道之间 没有热传导，具有相同的温度和压力分布，因此对于每一个流程，可以取其中一 根多孔扁管为研究对象，制冷剂从左边开始，右边流出。从入口开始，假设制冷 剂的出口焓，并将多孔扁管沿管长方向等焓划分为1 0 个计算单元，每个单元被 看成是一个小的叉流式换热器【5 0 】，如图2 4 。 l 驰a j 亚曰 ln 硒r 图2 _ 4 模型划分 假定空气能够均匀地通过细微通道扁管的表面并且换热不受空间干扰，并采 用如下假设： ( 1 ) 平行流冷凝器工作在稳定工况下，即制冷剂侧与空气侧各个参数不随时 间变化； ( 2 ) 制冷剂流动简化为沿管长方向的一维流动，忽略管内制冷剂轴向和周向 的导热； ( 3 ) 扁管各流道内制冷剂流量分配均匀，并具有相同的温度和压力分布； ( 4 ) 忽略重力对传热和压降的影响； ( 5 ) 不计不凝性气体及管内外污垢热阻的影响。 基于以上假设，对于每个流程中给定的第，段，根据能量平衡，可有： 空气侧流动换热方程： g j = c p a ( 一) ( 2 - 1 ) g i2 乙p al 喇一嘁ij 【z 。l j 式中：广空气侧出1 3 温度，k ； 广空气